Поверхностно-активные вещества (ПАВ) - химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения. Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность - способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз.

Классификация методов определения размеров наночастиц. Принцип работы сканируемых зондовых приборов

1) Электронная микроскопия. Электронный микроскоп (ЭМ, electron microscope) - высоковольтный вакуумный прибор, в котором увеличенное изображение объекта получают с помощью потока электронов. Разрешающая способность электронного микроскопа достигает 0,1 нм.

Основными типами электронных микроскопов являются сканирующий (растровый) и трансмиссивный (просвечивающий).

2) Растровая электронная микроскопия. Растровый электронный микроскоп (РЭМ, SEM) — прибор, позволяющий получать изображения поверхности образца с большим разрешением. Растровый электронный микроскоп основан на использовании предварительно сформированного тонкого электронного луча, положением которого управляют с помощью электромагнитных полей. Электронный зонд последовательно проходит по поверхности исследуемого образца. Регистрация электронов, выходящих из объекта, а также других видов излучения (характеристического, светового) дает информацию о различных свойствах микроучастков изучаемого объекта. Соответственно этому системы индикации и другие элементы растровых микроскопов различаются в зависимости от вида регистрируемого излучения.

3) Просвечивающая электронная микроскопия. Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ, TEM) – установка, в которой изображение от ультратонкого объекта (толщиной порядка 0,1 мкм) формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением магнитными линзами (объектив) и регистрацией на флуоресцентном экране.

4) Рентгеновская дифрактометрия. Рентгеновский дифрактометр (SAXS) – прибор для измерения интенсивности и направления рентгеновских пучков, дифрагированных на исследуемом образце. Прибор применяется для решения различных задач рентгеновского структурного анализа, рентгенографии материалов, исследования реальной структуры монокристаллов. Он позволяет измерять интенсивность дифрагированного в заданном направлении излучения с точностью до десятых долей % и угол дифракции с точностью от нескольких минут до долей секунды.

5) Сканирующая зондовая микроскопия. Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ, SPM) – прибор, в котором исследование микрорельефа поверхности и ее локальных свойств проводится с помощью специальным образом приготовленных зондов в виде игл. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размеры порядка десяти нанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностью образцов в зондовых микроскопах по порядку величин составляет 0.1 – 10 нм.

В основе работы зондовых микроскопов лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью. В самом простом случае острие зонда находится в непосредственном соприкосновении с исследуемой поверхностью. Зондовый датчик движется вдоль поверхности, при этом регистрируется изменение изгиба кантилевера или других величин, пропорциональных взаимодействию зонда и исследуемого образца. Кроме простого сканирования, при котором получается карта распределения величины, существуют и другие методики применения СЗМ. Например, при спектроскопии получают множество зависимостей одной величины от другой в различных точках поверхности. При литографии путем воздействия на образец на его поверхности воссоздается заранее заданный рисунок, например, электрической наносхемы. При наноманипуляциях с помощью зонда можно разрезать живую клетку или передвинуть большую молекулу углеродной нанотрубки на заранее подготовленные контакты, получив нанодиод.

З адачи

1. В образце синтезированных наночастиц золота диаметр частиц распределен приблизительно нормально, со средним арифметическим`х и со средним квадратичным отклонением s, указанным в таблице ниже, для соответствующего номера задачи. Вычислить (для своего номера задачи) долю частиц в образце, диаметры которых находятся в пределах от x<sub>1</sub> до x<sub>2</sub> , приняв m =`х и s = s.

№ задачи	`х /нм	s/нм	x1 /нм	x2 /нм
10	7.1	2.4	5.0	10.0

Решение

Вычислим аргументы z₁ и z₂ стандартной функции Гаусса, приняв m =`х = 7,1 нм и s = s = 2,4 нм:

z₁ = (x₁ – m)/s = (5,0 нм – 7,1 нм)/(2,4 нм) = -0,875;

z₂ = (x₂ – m)/s = (10,0 нм – 7,1 нм)/(2,4 нм) = 1,208;

По таблицам интегральной функции Лапласа найдем F(-0,875) =-Ф(0,875) =.F(1,208) = .

Искомая доля частиц:

F(1,208) - F(-0,875) =

Ответ: 1) 8,61 нм; 2) 0,77 нм; 3) 6,9%.

2. Вычислить силу адгезии наночастицы жидкости к плоской поверхности твёрдого материла, зная константу Гамакера А двух данных фаз, радиус частицы r и величину зазора h между частицей и поверхностью, указанные в следующей таблице (для своего номера задачи):

№ задачи:	23	24	25	26	27
A·1021 /Дж	45	46	47	48	49
r/нм	15	13	11	9	7
h/нм	0,172	0,171	0,170	0,169	0,168

Решение

По теории Дронсона-Кендела-Робертса, сила F притяжения (адгезии) шарообразной частицы одной фазы и бесконечной по протяженности плоской поверхностью другой или той же фазы выражается формулой

,

где А – константа Гамакера для данной системы (константа дисперсионного взаимодействия молекул фаз), r – радиус частицы, h – расстояние между поверхностью сферической частицы и плоской поверхностью.

Имеем:

Ответ: 1,68 нН

3. Рассчитать потенциальную энергию u взаимодействия двух плоскопараллельных пластин, находящихся в водном растворе электролита с концентрацией с, при значении потенциала диффузного слоя φ_s , относительной диэлектрической проницаемости ε_r и температуре t. При расчете принять константу Гамакера А^* = 3.0·10^–20 Дж. Вычисления сделать для расстояний между пластинами h: 2, 5, 10, 15, 25, 50 нм. Построить график зависимости u = f(h).

Задача	Электролит	c,ммоль/л	t, °С	εr	φd, мВ
42	KBr	1,5	23	79,1	18

Решение

Потенциальная энергия взаимодействия двух бесконечно больших плоских пластин (в расчете на единицу площади):

.